图像网目调处理技术在激光加工设备中的应用

1. 引言
在数字化的时代，图象输出前图文信息处理是古老的印刷技术当中发展迅速的领域之一。特别是近20年内，数字图象的信息采集、处理、输出和传播都发生了广泛而深刻的变化，但以网点大小或疏密来体现图象的层次变化的理念贯穿始终。长期以来，图象加网的实现手段从手工、照相、电子演变到全数字化处理。在加网技术数字化以后，各类加网算法不断推陈出新，除对调幅加网和调频加网技术进一步完善以外，还出现了调幅和调频混合加网技术。这些技术进展不仅提高了图象复制的品质，而且促进了栅格图象处理工作（Ripping）的高效运行。随着激光设备的出现与运用，近年来以激光机为输出媒体对彩色图象进行灰度输出开始应用于工艺品加工领域。如何再现原稿的层次和阶调特性成为激光灰度雕刻的核心。

2.基本原理
激光机是二值输出设备（开光、关光），因此彩色位图也需要转化为二值图后，才能通过激光机输出。图象的二值化过程也就是给位图挂网的过程。

在对位图挂网之前，首先需要将彩色位图转化为灰度图，并在计算机中以彩色位图的格式保存为灰度图。以彩色位图的格式保存灰度图虽然会占用大量的内存空间，却大大方便了挂网过程中的坐标转化。

灰度图数字图象在显示器上显示时，由大量的象素点按照整数行、整数列对齐排列。激光机作为我们的输出设备，输出的图象在其记录平面上同样由大量的记录点（脉冲点）按照整数行、整数列对齐排列组成。

假设我们需要通过激光机输出一幅分辨率为100×100的数字图象，输出尺寸定为10×10（mm）；再设激光机的分辨率为50（脉冲/毫米）。那么可算得激光机在输出平面内输出的图象实际上是由500×500（脉冲）的脉冲矩阵构成的。则数字图象的每一个象素点对应脉冲矩阵中一个5×5的脉冲单元。现在只要根据象素值的大小控制脉冲矩阵中每个脉冲点是否开光，便能完成挂网，形成不同大小的网点和加网角度。

通过上面的分析，实际上我们可以将上述过程看成是：将数字图象在x、y方向上同时放大了5倍，也就是说灰度图的一个灰度值为a的象素点放大成了一个5×5的象素点阵，并且该象素点阵的每个象素点的象素值都为a。那么对放大后的数字图象进行二值化处理后，数字图象的每个象素点的象素值只有1或0两种状态，也就对应了构成输出图象的每个脉冲点开光或关光两种状态。

3.不同大小网点的生成方法
（为说明方便，假设加网角度为0度）

网点大小受图像灰度值的调制，若该区域的平均象素值越高，映射生成的网点越小，反之，生成的网点就越大。


图一为原稿转化为灰度图并放大后的一片象素点阵区域，每个小方格表示数字图象的一个象素点，设得该区域的象素平均值为a。图二为设计好的网点模版，其大小与分割出的矩形区域完全一致，每个小方格中的数字代表了网点的生长顺序，由图可知该网点模版能够反映13+1个灰度等级。

如果a值满足7级灰度值，那么该区域映射成的网点形状为：


即是，对应网点模板中相应位置，凡是小于等于原始图像灰度值的位置都暴光。根据这种网点生长规律，便能生成不同大小的网点。

4.加网角度对视觉效果的影响
我们先来看一下单一网点排列和当它足够粗糙时对人眼的视觉效果。当加网角度为0时，人眼能看清每一个网点排成行；当加网角度为15度时可能会看得更清晰；当加网角度为45度时，人脑引起的混乱使人眼对行的印象变得模糊，点还能看得见，但线看不出来，这就是为什么黑白图像的网点总是设在45度的原因。通常认为，45度的加网角度对视觉最舒服，表现稳定而不呆板，是最佳的表现角度；15度和75度次之，它们虽不够稳定，但不呆板；0度和90度的视觉效果最差，虽然也稳定，但也最呆板。

5.45度加网
为达到好的视觉效果，必须以一定角度对放大后的图象进行加网，网点模板所能反映的灰度等级也不能过低，否则在输出图象上就会出现灰度等高线。

45度加网算法的实现步骤：
（从图象的左上角开始计算）
坐标定义如下：



实现步骤：

Step_1:设计网点模板；

为了实现网点模板的归一化，我们将模板设计成一个半径为R的圆，如图（五）所示，在加网坐标XOY中定义，得其数学方程为 ，该方程的函数值表示了当前坐标（x,y）距离圆心的长度。由于灰度图像由256个等级构成，我们将模板圆的半径R等分为256级，那么函数F(x,y)的值就间接反映了坐标（x,y）处的灰度等级；

Step_2:确定象素纵坐标U，初始化为0；

Step_3:如果纵坐标U超出图象下边界，转Step_10；

Step_4:确定象素横坐标V，初始化为0；

Step_5:如果横坐标V超出图象右边界，转Step_9；

Step_6:将象素坐标(U,V)以图象左上角为原点，逆时针旋转45度得到新坐标(X,Y)；

坐标旋转公式：X = U×cos45 + V×sin45;

Y = V×cos45 - U×sin45;

将新坐标(X,Y)代入Step_1中的归一化网点函数F(x,y)，并根据函数值求出在坐标XOY中象素坐标(U,V)处的灰度等级Grade；

Step_7:用象素坐标(U,V)处的原稿实际灰度值与Grade进行比较，如果原稿实际灰度值大于等于Grade，那么该处置为白，否则置为黑；

Step_8:V++，转Step_5；

Step_9:U++，转Step_3；

Step_10:加网完成。

Step_11:加网后的图象为二值图，图象每个象素点的象素值为1或0，对应运动控制卡的雕刻扫描数据。

6.结论
该方案能方便的实现激光雕刻机对彩图的直接输出，无需对原稿进行细节休整，如使用PhotoShop对原稿进行勾边、去色、局部亮度调整等复杂的处理。加网后的效果继承了传统网点的特点，网点图的输出方式确保了图象的输出质量。